五兄弟中的温和派

五兄弟中的温和派

碱金属有6名元素兄弟：锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr），在周期表中自上而下排在最左边的第一主族，它们是金属大家庭中化学性质最活泼的一族，它们与水的反应相当激烈：

锂与水反应缓和；

钠在水面上形成小圆珠，飞快地打转、放热；

钾遇水燃烧，用量大时发生爆炸；

铷、铯在冰上就可以燃烧，甚至爆炸。（注：钫是放射性元素，列入另册讨论。）它们与水反应的产物都是氢气和氢氧化物。

从实验现象来看，碱金属的化学活泼性自上而下是一个赛过一个，这与碱金属的金属性增强的顺序一致。金属性或非金属性是指某元素原子得失电子的能力，金属性强的元素的原子半径大，最外层电子少，易失电子而形成阳离子，或在共价键中对共用电子对的吸引作用较弱。

由于原子的电子层数不同，电子层数越多的原子核对外层电子的吸引力越小，电子就越容易失去。碱金属中随着原子的电子层数增加，原子的半径依次增大，所以碱金属家族中金属性最强的要属老大哥铯。原子失去电子能力的大小有一个定量的度量标准，这就是“电离能”。电离能是气态原子失去1个电子生成＋1价气态阳离子时所需要的能量：

M（气）→M^＋（气）＋e^－

碱金属的电离能（千焦／摩）分别为：

Li　　Na　　K　　Rb　Cs

521　499　　421　405　 371

碱金属电离能值自上而下依次递减，说明失去1个电子所需能量越来越少，失电子越来越容易，因此金属性随着电离能减小依次增强。

Li＜Na＜K＜Cs＜Rb

但碱金属与水反应的剧烈程度要考虑两方面的因素：

首先是碱金属与水反应的趋势。按照这种趋势大小所排出的顺序就是大家背得滚瓜烂熟的金属活动顺序，这顺序是1865年俄国化学家贝开托夫（1827—1911）依据金属与稀酸或水反应是否能置换或置换出氢气的难易程度，以及金属与金属盐的水溶液置换的顺序排列出来的。金属活动性与金属性的顺序有关，但本身是两回事。

碱金属与水反应可想象分三步进行：由固态金属变为金属水合离子的总的热效应为：

△H°＝升华热＋电离能＋水合热

　　　　　　　　　　　　　Li　　　Na　　K　　Cs　　　　Rb

升华热（吸热）千焦／摩　　159　　107　　90　　　80　　　 76

电离能（吸热）千焦／摩　　521　　499　　421　　405　　　371

水合热（放热）千焦／摩　－519　　－406－318　　－293　－264

△H°　　　　千焦／摩　　161　　　200　　193　　192　　 183

因为小兄弟锂的离子半径特别小，放出的水合热比四兄弟大得多，使形成水合离子需要吸收的总能量比四兄弟都少，所以生成水合离子趋势最大的倒是小兄弟锂。即按照金属活动顺序，小兄弟锂成了排头兵，Li＞Rb＞Cs≈K＞Na。可见，金属活动性与金属性的顺序不一定一致。

上面我们仅仅考虑了碱金属与水反应问题的一个方面，即反应的趋势，也就是反应的可能性。但另一个方面需要考虑的是反应速率的快慢。请注意，反应的可能性很大，并不等于反应速率一定快。反应有可能进行是前提，可能性大是反应达到化学平衡时，有较多的反应物转化为产物，但达到化学平衡的时间，也就是反应速率则可能会千差万别：火药爆炸瞬间完成，自然界岩石风化的速率以百年甚至千年计算。

现在让我们来看看碱金属与水反应的速率：小兄弟锂的脾气很“温顺”，与水反应，氢气缓缓析出；而其他四兄弟脾气实在火爆，不是燃烧，就是爆炸，这与它们水合的趋势完全不相称，原因还是在于锂这个小兄弟的品格特殊，因锂的熔点比四兄弟高得多：

　　　　Li　　　　Na　　　K　　　Rb　　　　Cs

熔点℃　180．38　97．65　63．49　38．73　28．24

你看，老大哥铯放在手中都能熔化，与水反应放出的热量（不是碱金属形成水合离子的能量）足以使它变成液体，液体与水接触面大，反应速率高；而锂的熔点几乎比钠高100%，反应过程中它仍然是固体，固体锂与水接触面小，反应速率当然慢，况且在形成的氢氧化物中唯独小兄弟锂的氢氧化物（LiOH）难溶于水，它覆盖在金属锂的表面，妨碍了反应的继续进行，所以我们看到了前面提到的实验现象。

在碱金属家族中，小兄弟锂最特殊，因为它的离子半径特别小，使它失去电子形成水合离子的趋势也就是金属活动顺序名列榜首，又由于它的熔点高，LiOH难溶等原因，与水的反应速率却成了倒数第一。真是阴错阳差，最终表现出来的化学活泼性还是与金属性的排列顺序一致。